测量湿度的基本原理

控制水蒸气测量的物理化学原理影响工业部件和系统。水蒸气存在于周围环境中，因此会渗透到工业、农业、制药和医疗重要性的许多关键材料和系统中。

为什么要测量水蒸气

例如，塑料颗粒在加工过程中的水分会导致挤压失败，而食品中不理想的水分水平会导致食品质量的损失。药品储存过程中的水分会导致活性丧失，而电子级工业气体中的湿度可能导致半导体元件失效。医疗气体中不正确的湿度水平会导致临床环境中肺功能不正常。上述水的作用可以归结为以下行为:

• 水可以充当酸或碱
• 被材料吸收导致腐蚀的能力(见图1a和图1b)
• 当它从液体转变为固体时会膨胀，这会损坏机械部件，如阀门、泵、压缩机，以及侵蚀混凝土和砖石结构，如图2所示。

由于上述原因，测量和控制工业系统中的水蒸气是至关重要的。根据环境温度，感兴趣的浓度范围从百万分之一(ppmv)或更低到100,000 ppmv。

水蒸气特性

理解有实际意义的环境中水蒸气的行为的关键是它是否符合道尔顿分压定律和理想气体定律。道尔顿定律指出，混合气体的总压强等于各气体组分的分压强之和。例如，空气由20.9%的氧气，78%的氮气，约1%的水蒸气和其他气体组成。因此，这些成分对总气压的贡献，其组成量如下式1所示:

方程1:P_t=页₁+页₂+页_n

地点:

P_t系统的总压强和pp₁页₂，和pp_n气体混合物的各种成分是否达到n^th组件。

理想气体定律指出，气体或其组成成分的压力等于以摩尔表示的每种成分的气体分子数除以混合物的总体积。摩尔除以体积是浓度的表达式，如式2所示:

方程2:pp_我= (n_我/ V) RT_k

地点:

页_我是气体混合物各组分的分压吗

n_我每种气体组分的摩尔数是多少

V是系统的总体积

R是通用气体常数

T_k是开尔文温标上的温度。

水蒸气测量计算

水蒸汽压力的一个基本测量是露点，露点是水蒸汽与其液相处于平衡状态的温度。霜点是水蒸气与其固体冰相达到平衡的温度。冷冻镜面湿度计(CMH)直接测量露点和霜点，通过反射光线检测在冷冻镜面上形成的液体和固体相的存在，表面温度被精确测量和控制。露水层或霜层受到控制，因此它们的生长不会随时间变化，并且系统处于真正的平衡状态。CMH被认为是可以测量水蒸气压力超过6个数量级的基本标准，从小于1ppmv到大于100,000 ppmv超过100万倍。图3是CMH的一个示例。将水蒸气压与露点或霜点温度联系起来的马格努斯公式如下式3和4所示:

方程3:e_w= (1.0007 + 3.46⁶P) (6.1121) e^{[17.502 Td/ 240.9 + Td]}

方程4:e_我= (1.0003 + 4.18⁶P) (6.1115) e^{[22.452 Tf/ 272.55 + Tf]}

地点:

e_w=水蒸气对水的分压，单位为毫巴

e_我冰上水蒸气的分压，单位为毫巴

Td =露点温度，单位为C

Ti =霜点温度，单位为C

P =以毫巴为单位的总压强。

两个方程的第一项，大约是1，与增强因子有关，它纠正了水蒸气在高总压和低环境温度下的异常行为，在这种情况下水蒸气偏离了理想气体定律。对于大多数应用，增强因子接近于1，如上述方程所示。

一旦水蒸气压已知，水蒸气浓度就可以由理想气体定律确定。水蒸气浓度用质量/L或摩尔/L表示。

样题1:

用冷冻镜式湿度计测量气体样品的露点为12.0℃。样品中水蒸气的分压是多少?如果系统温度为25℃，绝对湿度是多少克/升?

用式3表示分压，得到试样的分压为10.6 Torr。

用式2表示绝对湿度，则绝对湿度为0.0103 g/L。

另一个重要的测量单位是相对湿度，通常以百分比来测量。相对湿度是衡量载气(如空气)在饱和和冷凝发生之前可以包含多少水蒸气的尺度。因此，相对湿度是环境中材料与水蒸气相互作用的量度。相对湿度越高，相互作用越大。例如，纺织品、农产品、药品和工程材料对水蒸气的吸收。相对湿度定义如式5:

公式5:%RH = (e_w/ e_年代) 100%

地点:

e_w=水蒸气对水的分压，单位为毫巴

e_年代=工艺环境温度下的饱和水蒸气分压。

因此，相对湿度可以通过测量的空气温度和露点来计算。

样题2:

如果露点为19℃，空气样品在23℃时的相对湿度是多少?

用公式3确定19℃和23℃时的水蒸气压分别等于22.063毫巴和28.21毫巴。使用公式5，这等于78.2%的相对湿度。

湿度测量的下一个单位是混合比。混合比的定义是水蒸气的质量除以它所含的干空气的质量。因此单位是质量/质量，因此是无量纲的。

混合比定义为:

MR = 621.9907_w/(P - e_w）

在哪里

e_w=水蒸气的分压

总压力

该系数随载气的分子量而变化，例如空气为621.9907，氢气为8,936。

注意e_w可由露点确定，露点可由冷冻镜湿度计直接测量。混合比还需要测量总压力。

湿度的最终测量单位是ppmv或百万分之一重量(ppmw)。这些单位的定义如下。再次,e_w可通过冷镜湿度计测量。总压强P也必须测量。

PPMV = 106 e_w/(P - e_w）

PPMW = 106 0.62199 e_w/ (P - e_w）

样题3:

在总压力为1013.25毫巴(1个大气压)的情况下，将空气样品加湿，其ppmv值为4500。露点和冰点是多少?

4500 = 10⁶e_w/(1013.25 - e_w);Ew = 4539毫巴。根据马格努斯公式，露点为-4.08℃，霜点为-3.61℃。注意，冰上的蒸汽压总是高于液态水。

通过引入干燥空气，上述空气样品的总压力增加到2026.50毫巴。体积保持不变。新的ppmv是什么?新的露点是多少?新的霜点是多少?

新的ppmv值为2245 ppmv。露点和霜点都保持不变，因为干燥空气的引入使浓度不变。这是因为体积保持不变。

值为4500 ppmv的干燥空气的原始样品被体积变化压缩;体积减小了50%。新的ppmv值是多少?新的露点是多少?

新值保持在4,500 ppmv，因为体积变化后分子和分母都乘以2，因为体积和压力遵循波义耳定律所表达的反比关系。然而，新的露点是5.5摄氏度，因为水分子的浓度增加了2，这使得水蒸气增加了2。

水蒸气测量技术

水蒸气可以用各种各样的技术来测量。这些技术大致可分为两类;一种是使用第一原理测量，另一种是使用第二原理测量。前者的例子是冷镜测湿法和光谱学，后者分别使用有机和无机介质、聚合物和无机氧化物中的介电变化。图4是一个基于聚合物的变送器的示例，该变送器具有可更换的探头单元，用于压缩空气中，可以在同一单元中测量露点、相对湿度、压力和空气温度。第一原理设备往往不太容易漂移，而次级标准更容易漂移，需要更频繁的校准。要使传感器具有可追溯性，必须在传感器的使用寿命期间不间断地记录校准。

表1总结了工业中使用的一些湿度测量技术。

水蒸气的浓度可以变化100万倍，从小于1 ppmv到大于10万ppmv。重要的是要了解控制水蒸气行为的物理化学原理，关键的测量单位，以及理解湿度原理，因为它们影响工业部件和系统。

杰拉尔德·舒尔茨博士是Edgetech仪器公司的首席科学家。在过去的35年里，他一直在传感器技术和科学领域工作，其中大部分时间都在湿度传感器和测量领域。编辑:Emily Guenther，副内容经理，控制工程， CFE传媒，eguenther@cfemedia.com．

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关键概念

• 水蒸汽测量
• 不同的水蒸气技术
• 的原则湿度及其对工业环境的影响。

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